Le rôle des états liés dans le découplage thermique de la matière noire dans l'univers primordial

Lorsque la matière noire interagit avec des médiateurs beaucoup plus légers qu'elle, ces interactions sont de longue portée. Ce phénomène est typique des scénarios de reliques thermiques viables aux échelles de masse du TeV et au-delà, comme le montrent des calculs explicites dans divers modèles ainsi que des arguments d'unitarité indépendants du modèle. Cette région de masse est actuellement explorée par des expériences telles que H.E.S.S., IceCube, CTA et KM3NeT, ce qui renforce la nécessité d'une compréhension théorique précise de la dynamique de la matière noire dans ce régime. Les interactions de longue portée donnent lieu à deux effets non perturbatifs importants: l'effet Sommerfeld et l'existence d'états liés. Par leur formation et leur désintégration, les états liés métastables fournissent des canaux supplémentaires d'annihilation pour les particules noires, influençant le découplage thermique dans l'univers primordial, ainsi que les signaux d'annihilation indirecte dans les halos actuels. Cette thèse explore certains aspects de la dynamique des états liés pendant le découplage thermique de la matière noire, selon deux axes d'étude. Premièrement, l'efficacité de la déplétion de la matière noire via des états liés métastables dépend de l'interaction entre la formation d'états liés, l'ionisation, la désintégration et les transitions entre états liés, l'ionisation étant le processus concurrent pouvant entraver cette déplétion. Alors que les travaux antérieurs ont pris en compte l'ionisation par le bain thermique, nous étudions l'effet du rayonnement résonant produit lors de la formation et de la désexcitation d'états liés, motivés par son rôle dans la recombinaison de l'hydrogène. En utilisant un modèle simplifié à trois niveaux, nous trouvons que, contrairement à la recombinaison de l'hydrogène, le rayonnement produit durant le découplage thermique de la matière noire, qu'il soit résonant ou non, n'engendre pas de rétroaction significative et peut être négligé. Ce résultat est pertinent pour l'ensemble des modèles de matière noire à l'échelle du TeV et au-delà, qui sont produits par découplage thermique du plasma primordial. Deuxièmement, dans de nombreux scénarios abéliens et non abéliens, la capture dans des états excités plus élevés conduit à des violations de l'unitarité en onde partielle dans les sections efficaces de formation d'états liés, même à couplage faible. Pour illustrer cela, nous étudions un modèle abélien où les états liés se forment par émission d'un médiateur scalaire chargé, capturant ainsi des caractéristiques pertinentes pour les cas non abéliens. Nous montrons que, sans procédure pour restaurer l'unitarité, les sections efficaces dépassent les limites d'unitarité et atteignent une croissance critique où la matière noire échoue à se découpler du plasma primordial lorsqu'on considère tous les états liés pertinents pour une onde partielle donnée. En appliquant une procédure d'unitarisation, nous montrons que le découplage thermique est bien assuré. Il est important de noter que, même après unitarisation, les états excités continuent d'influencer l'abondance relique, ce qui souligne la nécessité de les prendre correctement en compte dans les scénarios thermiques de matière noire.